JP5204476B2 - Plasma device - Google Patents
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本発明は、半導体集積回路素子や液晶表示素子等のマクロエレクトロニクスデバイスの製造工程で用いられるプラズマ処理や微量分析に使用される誘導結合型プラズマ装置に関し、特に、このような誘導結合型プラズマ装置の主要部品である高周波導入部材に関するものである。 The present invention relates to an inductively coupled plasma apparatus used for plasma processing and microanalysis used in a manufacturing process of a macroelectronic device such as a semiconductor integrated circuit element and a liquid crystal display element, and more particularly to such an inductively coupled plasma apparatus. The present invention relates to a high-frequency introducing member that is a main part.
半導体集積回路素子や液晶表示素子等のマクロエレクトロニクスデバイスの性能を向上し低コスト化を実現するため、大集積化に耐える高精度かつ高速の微細加工(ドライエッチング等)を大面積の被処理基体の上で実現する要求が高まっている。このような微細加工にはプラズマを利用した処理が適しており、かかるプラズマを形成する技術として誘導結合方式(Inductively coupled system)がある。 In order to improve the performance of macroelectronic devices such as semiconductor integrated circuit devices and liquid crystal display devices and realize cost reduction, high-precision and high-speed microfabrication (dry etching, etc.) that can withstand large integration is a large area substrate There is a growing demand to realize on. For such microfabrication, processing using plasma is suitable, and there is an inductively coupled system as a technique for forming such plasma.
誘導結合方式では、一般に、減圧容器の外部に配置したアンテナに高周波を印加し、減圧容器に設けられた高周波導入部材を介して減圧容器の内部に誘導した電磁界によってプラズマ中の電子にエネルギを供給してプラズマを維持する。この方式は、比較的高真空(10−3Torr程度)で高密度のプラズマを維持することができるという特徴がある。このため、被処理基体に入射するイオンの方向性が良く揃っており、例えばドライエッチングに使用する場合、基体面と加工面の間の垂直性が高く、高頻度の加工を実現できる。また、プラズマ中から多量のイオンを被処理基体に引き込むことが可能なため、高速な加工にも適している。 In the inductive coupling method, generally, a high frequency is applied to an antenna disposed outside the decompression vessel, and energy is supplied to electrons in the plasma by an electromagnetic field induced inside the decompression vessel via a high frequency introduction member provided in the decompression vessel. Supply and maintain plasma. This method is characterized in that a high-density plasma can be maintained in a relatively high vacuum (about 10 −3 Torr). For this reason, the directivity of ions incident on the substrate to be processed is well aligned. For example, when used for dry etching, the perpendicularity between the substrate surface and the processed surface is high, and high-frequency processing can be realized. Further, since a large amount of ions can be drawn from the plasma into the substrate to be processed, it is suitable for high-speed processing.
また、誘導結合型プラズマをドライエッチング技術に応用する場合には、プラズマ形成用の高周波とは別個に、被処理基体に対してイオンを引き込むための高周波バイアスを印加する必要がある。高周波バイアス電流は被処理基体からカソードシースを介してプラズマに、そしてプラズマからアノードシースを介して減圧容器の壁に流れ込む。この時、アノードとなる減圧容器の面積をカソードとなるサセプタ電極の面積に対して、充分(3乃至5倍)大きくすると、プラズマと減圧容器との間の電位差が小さくなる一方で、プラズマとカソードとの間の電位差が相対的に大きくなる。従って、被処理基体上のイオンエネルギが相対的に大きくなり、高いエッチング効率が得られる。一方、アノードシース側の電圧は比較的小さいためにイオンスパッタによる減圧容器の消耗やその生成物による汚染などの悪影響は抑制される。 In addition, when inductively coupled plasma is applied to dry etching technology, it is necessary to apply a high-frequency bias for attracting ions to the substrate to be processed separately from the high-frequency for plasma formation. The high-frequency bias current flows from the substrate to be processed into the plasma through the cathode sheath and from the plasma through the anode sheath into the wall of the decompression vessel. At this time, if the area of the decompression vessel serving as the anode is sufficiently (3 to 5 times) larger than the area of the susceptor electrode serving as the cathode, the potential difference between the plasma and the decompression vessel is reduced, while the plasma and cathode The potential difference between and becomes relatively large. Accordingly, the ion energy on the substrate to be processed becomes relatively large, and high etching efficiency can be obtained. On the other hand, since the voltage on the anode sheath side is relatively small, adverse effects such as exhaustion of the decompression vessel due to ion sputtering and contamination by the product are suppressed.
ところで、誘導電磁界は導体の内部を通過することができないために、従来、誘導結合型プラズマ装置の高周波導入部材としては溶融石英やセラミック等の誘電体(絶縁物)か用いられてきた。この部分には高周波バイアス電流が流れないためアノードの面積に含まれない。従って、高周波導入部材の面積を大きくするほどアノード(アースに接地された減圧容器の内壁の導電性部分)のカソード(被処理基体が載置される電極)に対する面積比率を確保することが困難となる。 By the way, since the induction electromagnetic field cannot pass through the inside of the conductor, conventionally, a dielectric (insulator) such as fused quartz or ceramic has been used as a high-frequency introducing member of the inductively coupled plasma apparatus. This portion is not included in the area of the anode because no high frequency bias current flows. Therefore, the larger the area of the high-frequency introduction member, the more difficult it is to secure the area ratio of the anode (conductive portion of the inner wall of the decompression vessel grounded to the ground) to the cathode (electrode on which the substrate to be processed is placed). Become.
特に大面積の被処理基体を処理する場合、処理の均一化のために、従来においては図9に示すように被処理基体34に対向する位置に半球状の高周波導入部材116を配置すると共に、高周波導入部材116の外側に螺旋状のコイルアンテナ28を配置することとしているが、高周波導入部材116は誘電体のみから作られているため、側方の僅かな面積の金属製の減圧容器壁14のみがアノードとなる。この場合、アノードの面積はカソード面積とほぼ同程度となるため、プラズマとカソードとの間の電位差が小さすぎてエッチング速度が低下したり、逆にプラズマとアノードとの間の電位差が上昇してイオンスパッタが激しくなり、減圧容器12の消耗や被処理基体34に対する金属汚染が増大する問題があった。
In particular, when processing a substrate having a large area, a hemispherical high-
一方、あえて面積比を大きくするために減圧容器12の高さや半径を大きくすると減圧容器12の体積が増大する。この場合、大排気容量のポンプが必要であったり、被処理基体34の搬送機構が大がかりになるなど、装置のコストや設置面積の増大を招く問題があった。
On the other hand, if the height or radius of the
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主目的は、高周波バイアスに対する対向電極としても機能しプラズマ装置の設計の自由度向上に寄与し得る高周波導入部材を提供し、かかる高周波導入部材を用いて高性能で被処理基体の大口径化に対応し得る誘導結合型のプラズマ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its main object is to provide a high-frequency introduction member that also functions as a counter electrode against a high-frequency bias and can contribute to an improvement in the degree of freedom in designing a plasma device. It is an object of the present invention to provide an inductively coupled plasma apparatus that uses an introducing member and can cope with an increase in the diameter of a substrate to be processed with high performance.
上記目的を達成するために、減圧容器の外部に配置されたアンテナから放出される高周波電磁界を前記減圧容器内に導入すべく前記減圧容器の一部として設けられる高周波導入部材についてまず検討した。そして、本発明においては、被処理基体を処理するための誘導結合型のプラズマ装置において、
筒状の容器壁と、前記容器壁の上部に取り付けられる高周波導入部材である窓とからなる、内部が減圧される反応容器と、
前記反応容器の内部に配置され、前記窓の下側で被処理基体を上面にて支持するサセプタと、
前記窓の周囲に配置されたコイル状のアンテナと、
インピーダンス整合器を介して前記アンテナに接続された高周波電源と、
前記サセプタに接続された高周波バイアス電源と
を備えるものとし、
前記窓は導電性薄膜を有し、
前記導電性薄膜は、前記アンテナから放出された高周波電磁界を当該導電性薄膜を通して前記反応容器の内部に透過させることのできる透過性を有し、
前記導電性薄膜は、前記窓の全体にわたり形成されているものとした。
In order to achieve the above object, a high-frequency introduction member provided as a part of the decompression container to introduce a high-frequency electromagnetic field emitted from an antenna disposed outside the decompression container into the decompression container was first examined. In the present invention, in an inductively coupled plasma apparatus for processing a substrate to be processed,
A reaction vessel whose inside is decompressed, comprising a cylindrical vessel wall and a window which is a high-frequency introduction member attached to the upper portion of the vessel wall;
A susceptor which is disposed inside the reaction vessel and supports the substrate to be processed on the upper surface below the window;
A coiled antenna disposed around the window;
A high-frequency power source connected to the antenna via an impedance matching unit;
A high-frequency bias power source connected to the susceptor;
The window has a conductive thin film;
The conductive thin film has a permeability capable of transmitting a high-frequency electromagnetic field emitted from the antenna through the conductive thin film into the reaction vessel,
The conductive thin film was formed over the entire window.
減圧容器は内外の気密性を維持し内外の差圧に耐える支持体の役割を果たす。また、金属薄膜等の導電性薄膜は、被処理基体に印加する高周波バイアスを通過させる電極として用いることができる。 The decompression vessel serves as a support body that maintains the internal and external airtightness and withstands the internal and external differential pressure. In addition, a conductive thin film such as a metal thin film can be used as an electrode through which a high frequency bias applied to a substrate to be processed passes.
導電性薄膜は、適切な厚さ以下に設定することによりアンテナから放出された電磁波の大部分を透過することが可能である。この場合、導電性薄膜の厚さの目安は、アンテナに印加する周波数との関連で与えられる。即ち、導電性薄膜の厚さが高周波の周波数に於ける表皮深さを越えてしまうと、薄膜はより厚さの大きい金属と同程度に高周波を遮断してしまう。導電性薄膜の厚さはこの表皮深さより充分に小さいことが望ましい。 The conductive thin film can transmit most of the electromagnetic waves emitted from the antenna by setting it to an appropriate thickness or less. In this case, the standard of the thickness of the conductive thin film is given in relation to the frequency applied to the antenna. That is, if the thickness of the conductive thin film exceeds the skin depth at the high frequency, the thin film cuts off the high frequency as much as the thicker metal. It is desirable that the thickness of the conductive thin film is sufficiently smaller than the skin depth.
また、表皮深さ以上の厚さの導電性薄膜であっても互いに分割され透過面に沿って配置された複数部分より構成することによって、アンテナから放出された電磁波の大部分を透過することができめる。このような構成とすることによりアンテナからの電磁波に対しては誘電体として作用し、高周波バイアスに対しては導電性の性質を示すようになる。従って、この高周波導入部材を減圧容器の大部分に用いてもアノードの面積は減少しない。 Moreover, even if the conductive thin film has a thickness greater than the skin depth, it can transmit most of the electromagnetic waves emitted from the antenna by being composed of a plurality of parts that are divided from each other and arranged along the transmission surface. I can do it. With such a configuration, it acts as a dielectric for electromagnetic waves from the antenna, and exhibits a conductive property for high-frequency bias. Therefore, even if this high-frequency introducing member is used for most of the decompression vessel, the area of the anode does not decrease.
また、本発明によるプラズマ装置は、ドライエッチング装置やCVD装置等も含む。 The plasma apparatus according to the present invention also includes a dry etching apparatus, a CVD apparatus, and the like.
以上説明したように、本発明によれば、高周波電磁界に対しては誘電体に類似した性質を示し、高周波バイアス電圧に対しては導体に類似して振る舞う双方の利点を兼ね備えた高周波導入部材を用いることにより、ドライエッチングやCVD装置などの表面処理工程において、高性能でかつ静電損傷や汚染などの素子に対する悪影響を抑制し、更に反応容器内の部材の消耗の少ないプラズマ装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a high-frequency introduction member that has both the advantages of being similar to a dielectric with respect to a high-frequency electromagnetic field and acting like a conductor with respect to a high-frequency bias voltage. Is used to provide a plasma device that suppresses adverse effects on elements such as electrostatic damage and contamination in a surface treatment process such as dry etching or a CVD device, and further reduces the consumption of members in a reaction vessel. be able to.
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付することとする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の第1実施形態となる誘導結合型プラズマを利用したドライエッチング装置10を示している。このドライエッチング装置10は内部が減圧される反応容器(減圧容器)12を備えている。反応容器12は、ステンレス鋼のような金属材料からなる容器壁14と、その上部に取り付けられた半球ドーム状の高周波導入部材、いわゆる窓16とから構成されている。
FIG. 1 shows a
この窓16の構成は、図2に明示するように、アルミナからなる窓本体18を有しており、この窓本体18の内面全体には、反応容器12の内部に向けて順に、100オングストローム厚の窒化チタン薄膜20、200オングストローム厚のチタン薄膜22及び100オングストローム厚の窒化チタン薄膜24がスパッタ法等の適宜な方法で形成されている。また、窒化チタン薄膜24の内面には、プラズマ溶射法によって厚さ300ミクロンのアルミナ膜26が被覆されている。チタン薄膜22は導電性であり、容器壁14と共に接地されている。また、チタン薄膜22の上下の窒化チタン薄膜20,24は、チタン薄膜22がアルミナセラミック中の酸素原子と反応して変質することを防止するためのバリヤ層の役割を果たす。なお、このような薄膜20,22,24が積層された本発明による窓(高周波導入部材)16を、以下、積層窓16と称することとする。
As shown in FIG. 2, the structure of the
積層窓16の外側には、反応容器12内に高周波を誘導してプラズマ維持のためのエネルギを供給するための高周波アンテナ28が螺旋コイル状に巻回されている。このアンテナ29の両端には、インピーダンス整合器30を介して、例えば13.56MHzの高周波電源32が接続されている。
A
反応容器12の内部には、被処理基体であるシリコンウェハ34を載置するサセプタ36が配置されている。このサセプタ36の上面には、シリコンウェハ34を固定するための静電チャック38が設けられている。サセプタ38は電極としても機能し、高周波バイアス電源40を介して接地されている。従って、接地された容器壁14及び積層窓16のチタン薄膜22に対して例えば13.56MHzの高周波バイアス電圧が印加され、サセプタ36がカソードとして機能し容器壁14及びチタン薄膜22がアノードとして機能するようになっている。
Inside the
また、反応容器12には、ガス供給源(図示せず)から供給されるエッチングガスを内部に導入するためのガス供給口が設けられており、更に、内部の排気を行うための真空ポンプ(図示せず)に接続される排気口44が設けられている。
Further, the
次に、このようなドライエッチング装置10の作用効果について、図9に示した従来構成のドライエッチング装置100と比較して説明する。なお、従来の装置は、窓116がアルミナのみからなり、積層構造となっていない点を除き、図1に示す装置と同一の構成であるとする。また、図1に示すドライエッチング装置10では、容器壁14及びチタン薄膜22に対するサセプタ36の上面(電極として機能する部分)の面積比は、それぞれ2.0及び4.5とした。
Next, the effect of the
表1は、シリコンウェハ34上のシリコン酸化膜をドライエッチングすべく高周波アンテナ28によりプラズマを形成した場合の、シリコンウェハ34上に発生する自己バイアス電圧Vdc(V)とバイアス電力密度(W/cm2)との関係を示している。この場合、反応容器12内にシリコン酸化膜の代表的なエッチングガスであるCHF3とArの混合ガス(CHF3:Ar=1:5)を200sccm(cc3・atm/min)の流量でガス供給口42から導入しながら内部圧力を10mTorrに保持し、アンテナ28には3kWの高周波電力を印加して、反応容器12内にプラズマを形成した。
Table 1 shows the self-bias voltage Vdc (V) generated on the
ここで、自己バイアス電圧とは、静電チャック38の絶縁物を介して容量的にサセプタ(電極)36に接続されているシリコンウェハ34の上に発生するバイアス電圧の時間的な平均値をいう。本例のように、比較的低圧力でイオンの散乱をほぼ無視できる場合は、自己バイアス電圧は、プラズマからシリコンウェハ34に向かって加速されるイオンの平均的なエネルギにほぼ対応する。
Here, the self-bias voltage is a temporal average value of the bias voltage generated on the
シリコン酸化膜のエッチングにおいては、エッチング反応を誘起するため比較的運動エネルギの大きいイオンの衝撃が必要であり、上記の例では600Vの自己バイアス電圧を得る必要がある。従って、誘電体のみからなる窓116を用いた従来のドライエッチング装置100では、表1から、約3W/cm2のバイアス電力密度が必要となることが分る。加工用の電極、即ちサセプタ36の上面はウェハ34の面積よりも大きめに設計する必要があるため、200mm径のシリコンウェハ34を加工する場合、サセプタ上面の面積は300cm2〜400cm2となる。従って、サセプタ上面の面積を400cm2とした場合、カソードたるサセプタ36とアノードたる容器壁14との間には全体で1.2kWのバイアス電力を投入する必要があることが表1から分る。
In etching a silicon oxide film, it is necessary to bombard ions with relatively large kinetic energy in order to induce an etching reaction. In the above example, it is necessary to obtain a self-bias voltage of 600V. Therefore, it can be seen from Table 1 that a bias power density of about 3 W / cm 2 is required in the conventional
このような大電力のバイアス電力を投入した場合、シリコンウェハ34の温度が異常に上昇したり、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜のエッチング速度が上昇して選択比が低下するなどのエッチング特性に対する弊害が生じる。更に、アンテナ28に対して投入されたエネルギの30%〜40%のバイアス電力がプラズマを加熱するため、均一性の悪化や電子温度の増大などの悪影響を与えるおそれがある。
When such a large bias power is applied, the temperature of the
一方で、本発明による積層窓16を有するドライエッチング装置10によれば、1.0W/cm2以下のバイアス電力密度で600Vの自己バイアス電圧を発生することができる。従って、サセプタ36全体に印加する電力も400W以下に抑制され、高周波アンテナ28に投入される電力の13%に抑制できる。
On the other hand, according to the
表2に本発明によるドライエッチング装置10と従来装置100のエッチング特性を比較した結果を示す。従来のドライエッチング装置100においてサセプタ36に1200Wもの大電力のバイアス電力を印加した場合、エッチング速度は1050nm/minと比較的大きいものの、フォトレジストとシリコンに対する選択比はそれぞれ6.2と18に過ぎない。これに対し、図1に示すドライエッチング装置10でサセプタ36に400W程度の小電力のバイアス電力を印加した場合には、エッチング速度はわずかに低下するものの、選択比は2〜3倍に向上することが確認された。
Table 2 shows the results of comparing the etching characteristics of the
なお、アンテナ28により外部から印加された高周波は窓116の内面から20mm程度の空間中にあるプラズマで遮蔽される。このため、高周波が消費されプラズマを形成する領域は窓116の内面から10mm〜20mm程度の領域に限られる。この部分の電子の平均的な運動エネルギは比較的大きく、電子温度に換算して4〜8eV程度である。しかし、この部分からシリコンウェハ34までの間には約100mmの距離が存在する。プラズマ形成領域の電磁界で加熱された電子の平均自由工程は数mmで有るため、一回あたり数mmの距離の酔歩運動を繰り返しながらシリコンウェハ34近傍のアフタグロー領域に拡散してくる。この間に電子はガス分子との衝撃によるエネルギを失いながら拡散し、低電子温度のプラズマがシリコンウェハ34に到達することになる。
The high frequency applied from the outside by the
電子温度の高いプラズマ中の高エネルギ電子は、シリコンウェハ34に入射する時の方向性のランダム成分が大きいため、狭い溝又は穴の中に入射するときには方向性の比較的揃ったイオンとの間でアンバランスを引き起こし、溝又は穴の底や側壁で帯電を引き起こす。この帯電はエッチング速度のアスペクト比依存性やチャージアップダメージの原因となる。これらの現象に対して、シリコンウェハ34をアフタグロー領域に配置してシリコンウェハ34に作用する時点でのプラズマの電子温度を抑制することは極めて有効な手段である。しかし、従来のドライエッチング装置100では比較的大きなバイアス電力を印加する必要があるため、シリコンウェハ34の近傍で再度電子の温度が上昇する傾向があった。
High energy electrons in plasma with a high electron temperature have a large directional random component when incident on the
これに対し、本発明の積層窓16が設けられたドライエッチング装置10を用いた場合には、エッチングに必要なバイアス電力が比較的小さいため再加熱が生じにくい。表3に実測値を示す。
On the other hand, when the
なお、表3から、バイアス電力をサセプタに印加しない状態でも、本実施形態のドライエッチング装置10の方が小さい電子温度が実現されていることが分る。外部の高周波アンテナ28の両端には2〜10kWの比較的高電圧が発生するが、誘電体のみからなる従来の窓116では、アンテナ28により発生する電界は反応容器12の内部に及ぶ。このため、アンテナ28の端部に近いプラズマシースに局部的な高電界が発生する。この電界は電子温度を高める要因となる。これに対し、積層窓16を用いるとチタン薄膜22の遮蔽効果により電界が反応容器12の内部に入り込まない。このため、本実施形態のドライエッチング装置10の方が電子温度が小さくなるのである。更に、バイアス印加時の電子温度も、従来装置100では4.0eVに対し、本発明の装置10では2.0eVとなり、1/2に抑制されている。
From Table 3, it can be seen that the
表3にはMOS素子に対する静電破壊頻度も示されている。この評価に用いた素子はPoly−Si電極型のMOSキャパシタの上にアスペクト比5のレジストパターンを形成したもので、電子とイオンの入射角度分布の影響に敏感な構造となっている。プラズマ処理後のMOS絶縁膜の耐圧を測定し8MV/cm以下のものを不良と判定した。本発明による積層窓16を用いた場合はバイアスの有無に拘らず不良は発生していないが、誘電体のみからなる従来の窓116の場合、バイアス電力の印加に伴って約20%の不良が発生することが確認された。
Table 3 also shows the frequency of electrostatic breakdown for MOS devices. The element used in this evaluation is a poly-Si electrode type MOS capacitor formed with a resist pattern having an aspect ratio of 5, and has a structure sensitive to the influence of the incident angle distribution of electrons and ions. The withstand voltage of the MOS insulating film after the plasma treatment was measured, and those with 8 MV / cm or less were determined to be defective. In the case of using the
また、表3にはコンタクトホールを加工開口し導電不良率を求めた結果が示されている。この試験では、シリコンウェハ34上に厚さ2.1mmのシリコン酸化膜を堆積した後に、線幅0.40mmのレジストパターンを焼き付け、エッチング加工後に金属配線層を埋め込んで導通の有無を確認した。テストパターン1個には約10000個のコンタクトホールが含まれており、互いに直列に接続されたチェーン構造をなしている。従って、テストパターン中の全ての穴が開口している場合に限り、良好と判定される。積層窓16を用いた場合の不良率は3.1%と小さい値が得られた。不良は主としてシリコンウェハ34に付着したパーティクルによるものと考えて良いレベルである。これに対して、誘電体のみからなる窓116を用いた場合には全てのテストパターンで開口不良が見られた。
Table 3 shows the results of processing the contact holes and obtaining the conductivity failure rate. In this test, after depositing a silicon oxide film having a thickness of 2.1 mm on the
電子温度が大きいと入射角度分布が拡大しアスペクト比の大きいコンタクトホールの底に電子がたどり着けなくなる。このため、イオンの正電荷を打ち消せなくなる結果、穴の底付近にイオンを押し戻す電界が発生しエッチングを阻害する。本開口不良はこのような原因で穴の底のエッチングが停止してしまった結果である。 When the electron temperature is high, the incident angle distribution is expanded and the electrons cannot reach the bottom of the contact hole having a large aspect ratio. As a result, the positive charge of ions cannot be canceled, and as a result, an electric field that pushes ions back near the bottom of the hole is generated, thereby inhibiting etching. This defective opening is a result of the etching at the bottom of the hole being stopped for this reason.
以上の結果から、シリコンウェハ34をプラズマ形成領域から離れた部分、即ちダウンフロー領域に配置する場合のように電子温度を抑制した場合、特に積層窓16の使用によりバイアス印加に伴う電子温度の再上昇を抑制する効果が得られることが明らかである。また、それに伴いエッチング特性も改善されることが明らかとなった。更に、圧力を変化させてその効果を確認したところプラズマ形成領域とシリコンウェハとの間の距離(L)及び当該圧力における電子の平均自由工程(l)の間に、以下の関係が存在するときに、この効果が顕著に現れることも確認された。
From the above results, when the electron temperature is suppressed as in the case where the
L>10×l従って、本発明は、シリコンウェハ34をプラズマのダウンフロー領域に配置する構成でよりその効果が発揮され、また、シリコンウェハ34とプラズマ形成領域との間の距離が平均自由工程の10倍以上の場合、特にその効果が顕著となる。
L> 10 × l Therefore, the present invention is more effective in the configuration in which the
一方、アンテナ28に印加する高周波を振幅変調したり、その極端な例として断続する技術が知られている。これらの技術の目的は、ウェハ34をダウンフロー領域に配置する場合と同様に電子温度の低いプラズマを形成することにある。高周波を10m秒〜100m秒の間隔で断続又は変調することにより、電子温度を効率良く低減することが可能である。この場合にもバイアス高周波による電子の再加熱を抑制する効果のある本技術は有効である。
On the other hand, a technique is known in which the high frequency applied to the
また、本発明の積層窓16を用いることにより積層窓16や容器壁14の材料の消耗も抑制される。即ち、積層窓16や容器壁14の内面に衝突するイオンのエネルギが大幅に減少する。この理由は以下の2点による。
Moreover, consumption of the material of the
前述したように、高周波アンテナ28の両端部分には、数kV以上の高電圧が発生する。従来の誘電体のみの窓116を用いると、この影響でアンテナ28の端部近傍の窓116の内面とプラズマとの間のシースには数十kV/cmの高電界が発生し、プラズマ中のイオンを当該部分の窓116に向かって加速する。アルミナのように化学的に安定な材料でも、エネルギの高いイオンによる物理的なスパッタリングはさけられない。一方、積層窓16を用いた場合にはアンテナ端部の高電界はチタン薄膜22によって遮蔽されプラズマの内部に進入しない。従って、積層窓16の内面とプラズマとの間に発生する電位差はほぼプラズマ電位(Vp)に等しくなりイオンによるスパッタが抑制される。
As described above, a high voltage of several kV or more is generated at both ends of the high-
2番目の理由は、積層窓16を用いた場合には容器壁14と積層窓16のチタン薄膜22の双方がバイアス高周波に対してアースに固定されたアース電極として作用するために、プラズマに対するアース電極の面積が増大し、プラズマ電位(Vp)が直流的にも、また、交流的にも(変動成分も)抑えられることにある。このため、イオンのエネルギは極めて小さくなる。
The second reason is that, when the
また、本実施形態によるドライエッチング装置10は、シリコンウェハ34に対する金属汚染物を抑制するためにも有効である。Si−MOSデバイスの特性は表面に付着するアルカリ金属や重金属汚染物により著しく阻害される。このため、エッチング処理において表面に付着する汚染量も1cm2あたりl×1010原子程度に抑制する必要がある。一方、窓本体や容器壁の材料には、これらの汚染源となる金属元素が大量に含まれている。これらの材料が消耗すると、プラズマ中に汚染金属元素が漂う状態となり、そのうちのかなりの部分がウェハ34の上に付着する。しかし、本発明の積層窓16を用いると、FeやCr等の重金属及びNa等の軽金属による汚染が、いずれも約1/10に抑制される。
The
積層窓16のチタン薄膜22の厚さの設定に当たっては、透過すべき誘導電磁界の透過率、及びこの窓16を用いるべきプラズマ装置で印加されるバイアス高周波に対するインピーダンスによって最適の膜厚が選択される。即ち、第1に、外部高周波アンテナ28からの高周波電磁界の透過率が実用上差し支えない程度に大きいこと、第2に、アンテナ電位などの固定電位に接続したチタン薄膜22の面内の電位分布が、プラズマに実用上問題となる影響を与えない程度に抵抗値が小さいこと、が厚さ選択の条件となる。なお、以下の考察では、窒化チタン薄膜20,24が極めて薄く、高周波電磁界の透過率に影響を与えないことから、窒化チタン薄膜20,24は存在しないものとして取り扱っている。
In setting the thickness of the titanium
高周波電磁界の透過率を与える指針の一つは金属の表皮深さであり透過すべき誘導電磁界の周波数、及び、金属薄膜の抵抗率、透磁率で与えられる。表皮深さ(d)は以下の式で表される。
d=(2/ωμσ)1/2
ここで、ω、μ、σはそれぞれ高周波の角振動数、金属薄膜の透磁率、伝導度である。
One of the guidelines for giving high-frequency electromagnetic field transmittance is the skin depth of the metal, which is given by the frequency of the induction electromagnetic field to be transmitted, the resistivity of the metal thin film, and the magnetic permeability. The skin depth (d) is expressed by the following formula.
d = (2 / ωμσ) 1/2
Here, ω, μ, and σ are the high-frequency angular frequency, the permeability of the metal thin film, and the conductivity, respectively.
一般に電磁波は充分に厚い導体の中には進入できない。特に、金属薄膜の厚さが表皮深さを越えると電磁波はより厚い膜とほぼ同等に遮蔽され透過できなくなる。従って、表皮深さは積層窓16におけるチタン薄膜22の上限の厚さを示す指標となる。損失が無視できる程度(1〜10%)の透過率を得るためには、表皮深さの1/1000〜1/100程度の厚さ以下にすることが望ましい。
In general, electromagnetic waves cannot penetrate into a sufficiently thick conductor. In particular, when the thickness of the metal thin film exceeds the skin depth, the electromagnetic wave is shielded almost as much as the thicker film and cannot be transmitted. Therefore, the skin depth is an index indicating the upper limit thickness of the titanium
チタンの場合、表皮深さは例えば13.56MHzの高周波に対しては約30ミクロンの値を持つ。一方で、薄膜面内の電位分布は高周波バイアスの電流値や積層窓16の形状と、アースに対する接続方法等に依存する。大まかな目安としては表面抵抗値が100kW以下であればその効果が発揮される。チタンの場合4オングストローム以上の厚さであればこの条件を満足する。従って、チタンの場合、4〜3000オングストローム程度の厚さの薄膜とすれば、これらの条件を満たす。但し、このような薄膜状態での抵抗率は製膜手段に依存して、バルクの抵抗値より大きくなる場合があるため、10〜3000オングストローム程度の範囲で適宜選択して用いることができる。
In the case of titanium, the skin depth has a value of about 30 microns for a high frequency of 13.56 MHz, for example. On the other hand, the potential distribution in the thin film plane depends on the current value of the high frequency bias, the shape of the
一方、最も内面側のアルミナ膜26はエッチングガスに含まれるフッ素や塩素等のハロゲン含有ガス、もしくは酸素や二酸化窒素等の酸化性ガスなど腐食・エッチング性の高い活性種からチタン薄膜22を保護するために設けられたものである。アルミナ膜26はこれらの活性種に対してほとんど化学的に反応することが無く、保護膜の材料として適している。
On the other hand, the
一方で、アルミナ膜26は誘電体であるためにチタン薄膜22とプラズマとの間に挟まれた容量抵抗として働く。従って、アルミナ膜26の厚さが不必要に大き過ぎる場合には高周波バイアスに対する抵抗が大きく、チタン薄膜22を挿入した効果を相殺する恐れがある。
On the other hand, since the
しかし、プラズマと積層窓16との間に形成されるプラズマシースの容量に対して、このアルミナ膜26の容量が同等かそれ以上であれば効果は失われない。通常のエッチング処理で用いられる1×109/cm3〜1×1011/cm3程度の密度の低温プラズマの場合、プラズマシースの厚さは1mm〜0.1mm程度となる。従って、アルミナ膜26の厚さTは、この厚さTを誘電率εで割った実効的な厚さがこれらの値より小さくなるように設定されるのがよい。この関係を示したのが表4である。
However, the effect is not lost if the capacity of the
なお、保護膜としてはアルミナ膜26に限定されない。同一のプラズマ条件の場合、誘電率のより大きい材料を用いることにより内部の保護膜の厚さを大きく設定できる。特に、厚さが1mmを越える場合は焼結により成形されたセラミックを保護膜として用いることもできる。更に、厚さが10mmを越える場合にはこの部分だけで反応容器内外の圧力差を保持することも可能となる。このような場合、チタニア等の高誘電体セラミック膜を保護膜とし、その外面、即ち窓本体側にチタン薄膜を形成してもよい。
The protective film is not limited to the
図3は、本発明に従って構成されたドライエッチング装置の別の実施形態を示す概略図である。この実施形態では、積層窓216が半球状ではなく、切頭円錐形をなしており、その円錐面の外側にアンテナ28が巻かれている点を除き、図1に示す装置10と実質的に同様である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating another embodiment of a dry etching apparatus constructed in accordance with the present invention. In this embodiment, the
この積層窓216においては、窓本体218と保護膜226の誘電体材料として、微量のチタンを添加したアルミナ焼結体が用いられている。主成分のアルミナにチタンを添加することで、誘電率を高めることができる。
In the
かかる積層窓216を製造する場合、まず、誘電率が50のアルミナ焼結体から厚さ3mmの保護膜226を形成する。次いで、この保護膜226の円錐形の外周面上に窒化チタン薄膜、チタン薄膜及び窒化チタン薄膜の多層膜250を順次、製膜する。そして、その更に外面に厚さ10mmのアルミナ焼結体218を接合して、図3に示す形態の積層窓216とする。
When manufacturing such a
図示実施形態の場合、積層窓216の頂上部分はアルミナ焼結体のみから構成し、外側の窓本体218の頂上部分に空隙を設けることにより、加工時に生じる公差を上下のずれにより吸収し、また、接合の際に隙間に残る空気やガスを逃がす構造とすることで、気泡の形成や接着部の剥がれを防止している。
In the case of the illustrated embodiment, the top portion of the
この製法は、プラズマに接する内面を組成の制御や加工の容易な焼結体で形成できる特徴があり、平板状の積層窓を形成する場合に特に適している。 This manufacturing method has a feature that the inner surface in contact with plasma can be formed of a sintered body that can be easily controlled and processed, and is particularly suitable for forming a flat laminated window.
図4は、本発明による積層窓の第3の実施形態を示している。この積層窓316は、誘電体材料としてチタニア焼結体を用いている。この窓316の製作にあたっては、まずプラズマにさらされる側に、誘電率80、厚さ15mmのチタニア焼結体326を形成する。これは、保護膜として機能するが、チタン薄膜等の金属薄膜を支持する窓本体としても機能するものである。次に、チタニア焼結体326の外面に窒化チタン薄膜324、チタン薄膜322及び窒化チタン薄膜320を製膜する。これらの外面には、空気中の水分や酸素から保護するための珪酸ガラス塗布層350が形成されている。
FIG. 4 shows a third embodiment of a laminated window according to the invention. The
この構造はプラズマに接する内面を組成や純度の制御しやすい焼結体で形成できる上、比較的簡単であるために多様な構造に成形することができる特徴がある。また、この構造は、使用できるプラズマ密度領域が限られることから、大電力を投入して高密度のプラズマを形成する必要のない表面処理に対して特に適している。 This structure is characterized in that the inner surface in contact with the plasma can be formed of a sintered body whose composition and purity can be easily controlled, and can be formed into various structures because it is relatively simple. In addition, this structure is particularly suitable for surface treatment that does not require high power to form a high-density plasma because the plasma density region that can be used is limited.
図5は、本発明の積層窓416の第4実施形態を示している。この積層窓416は円筒形をなしており、アンテナ28はこの円筒形の積層窓416を取り巻くように配置されている。積層窓416の構成自体は図1に示したものと実質的に同じであり、図6に示すように、円筒形のアルミナからなる窓本体418と、その内面に配置された窒化チタン薄膜420、チタン薄膜422及び窒化チタン薄膜424からなる多層膜450と、その内側に配置されたアルミナからなる保護膜426とから構成されている。ここで多層膜450は、全周にわたり連続的に延びるものではなく、一定の間隔をおいて分割されている。例えば、各多層膜450は、長辺が50mm、短辺が10mmの長方形とされ、長辺方向がアンテナ28の電流方向に対してほぼ直交するように互いに対して0.5mmの間隔をおいて配列されるのがよい。
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the
このように分割した構成を用いると、30μm程度の比較的厚いチタン薄膜422を用いても高周波の透過率の減少を抑制することが可能となる。また、電極面積の減少も5%程度であり、バイアス電流に対しても充分な効果が得られる。
When such a divided structure is used, it is possible to suppress a decrease in high-frequency transmittance even if a relatively thick titanium
また、この積層窓416の下端面には、窒化チタン薄膜460、チタン薄膜462及び窒化チタン薄膜464からなる別の多層膜470が付着され、その内側縁部は多層膜450の下端部に重なり合うような形で配置されている。更に、この多層膜470を覆うようにして薄い珪酸ガラス膜480が塗付されている。この多層膜470は、多層膜450との間でキャパシタを形成し反応容器壁と容量的に接続されるのを可能とする。
Further, another
図7及び図8は更に別の実施形態を示している。この実施形態による積層窓516では、平面円盤上のアルミナやチタニア等のセラミック製の窓本体518の片面に窒化チタン薄膜520をスパッタ法で堆積した後、スクリーン印刷により厚さ50μmの金薄膜522のパターンを形成している。金薄膜522は、円形の窓本体518の中心から周辺部に向かって放射状に延び、約1mmの幅を有する線状パターンをなしている。更に、この金薄膜522は塗布型の珪酸ガラス層526で被覆されている。アンテナ28はこれらのパターンを形成した側とは反対の側に配置され、螺旋状の構造をなしている。
7 and 8 show still another embodiment. In the
以上、本発明の好適な実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態のものに限られないことはいうまでもない。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not restricted to the thing of the said embodiment.
例えば、上記実施形態では、本発明を主としてドライエッチング装置に適用した場合について述べたが、本発明はプラズマCVD装置等の他のプロセス装置に適用した場合にも同等の効果が期待できる。特に、反応容器の消耗の抑制やこれに起因して発生する汚染物の抑制は半導体や液晶表示素子など全てのマイクロエレクトロニクス製造技術に共通の課題である。また、誘導結合型プラズマは質量分析や発光分析などの極微量化学分析にも用いられている。これらの機器に本発明の高周波導電部材を用いれば反応容器から放出される妨害元素の量が低減されるため、最低検出純度を向上させる事も可能となる。 For example, in the above embodiment, the case where the present invention is mainly applied to a dry etching apparatus has been described. However, the present invention can be expected to have the same effect when applied to another process apparatus such as a plasma CVD apparatus. In particular, suppression of consumption of the reaction vessel and suppression of contaminants resulting from this are common issues for all microelectronic manufacturing technologies such as semiconductors and liquid crystal display elements. Inductively coupled plasma is also used for ultra-trace chemical analysis such as mass spectrometry and emission analysis. If the high-frequency conductive member of the present invention is used for these devices, the amount of interfering elements released from the reaction vessel is reduced, so that the minimum detection purity can be improved.
更に、上記実施形態では、高周波導入部材(積層窓)に用いられる金属薄膜の材料としてチタン及び金を掲げているが、他の金属材料や導電性材料を適宜用いることも可能である。また、誘電体材料についても上記以外のものを用いることも可能である。 Furthermore, in the said embodiment, although titanium and gold | metal | money are hung up as a material of the metal thin film used for a high frequency introduction member (lamination window), it is also possible to use another metal material and electroconductive material suitably. Moreover, it is also possible to use a dielectric material other than those described above.
10…ドライエッチング装置(プラズマ装置)、12…反応容器(減圧容器)、14…容器壁、16…積層窓(高周波導入部材)、18…窓本体(高周波導入部材本体)、20…窒化チタン薄膜、22…チタン薄膜(導電性薄膜)、24…チタン薄膜、26…アルミナ膜(保護膜)、28…アンテナ、32…高周波電源、34…シリコンウェハ(被処理基体)、36…サセプタ(電極)、40…高周波バイアス電源。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
筒状の容器壁と、前記容器壁の上部に取り付けられる高周波導入部材である窓とからなる、内部が減圧される反応容器と、
前記反応容器の内部に配置され、前記窓の下側で被処理基体を上面にて支持するサセプタと、
前記窓の周囲に配置されたコイル状の高周波アンテナと、
インピーダンス整合器を介して前記高周波アンテナに接続された高周波電源と、
前記サセプタに接続された高周波バイアス電源とを備え、
前記窓は導電性薄膜を有し、
前記導電性薄膜は、前記高周波アンテナから放出された高周波電磁界を当該導電性薄膜を通して前記反応容器の内部に透過させることのできる透過性を有し、
前記導電性薄膜は、前記窓の全体にわたり形成されている、プラズマ装置。 An inductively coupled plasma apparatus for processing a substrate to be processed,
A reaction vessel whose inside is decompressed, comprising a cylindrical vessel wall and a window which is a high-frequency introduction member attached to the upper portion of the vessel wall;
A susceptor which is disposed inside the reaction vessel and supports the substrate to be processed on the upper surface below the window;
A coiled high-frequency antenna disposed around the window;
A high frequency power source connected to the high frequency antenna via an impedance matching unit;
A high-frequency bias power source connected to the susceptor,
The window has a conductive thin film;
The conductive thin film has a permeability capable of transmitting a high-frequency electromagnetic field emitted from the high-frequency antenna through the conductive thin film into the reaction vessel,
The plasma apparatus, wherein the conductive thin film is formed over the entire window.
前記導電性薄膜の厚さは、前記高周波アンテナから放出される高周波電磁界についての、該導電性薄膜を構成する金属の表皮深さの1/1000〜1/100の範囲内であり、もって、前記窓が、前記高周波アンテナから放出される高周波電磁界に対して90%〜99%の透過率となっている、請求項4に記載のプラズマ装置。 The conductive thin film is a titanium thin film;
The thickness of the conductive thin film is within the range of 1/1000 to 1/100 of the skin depth of the metal constituting the conductive thin film with respect to the high frequency electromagnetic field emitted from the high frequency antenna, The plasma apparatus according to claim 4, wherein the window has a transmittance of 90% to 99% with respect to a high-frequency electromagnetic field emitted from the high-frequency antenna.
前記導電体薄膜の厚さが4オングストローム〜3000オングストロームである、請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラズマ装置。 The conductive thin film is a titanium thin film;
The plasma apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a thickness of the conductive thin film is 4 angstroms to 3000 angstroms.
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